专利名称：一种能跟踪太阳位置的led太阳能路灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及路灯，具体地说是一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯。
背景技术：
当前，市场上的太阳能路灯，一般在灯杆顶部安装固定方向的太阳能光伏发电板。由于风荷载的原因，路灯杆上的太阳能光伏发电板不能太大，否则会造成灯杆产生倾覆。光伏发电板是固定方向安装的，太阳光直射方向在一天中大部分时间是与板面倾斜的。众所周知，光伏板上的玻璃板有折反射效应，所以，固定方向的太阳能板，发电效率低下。再加上灯杆顶部的光伏发电板面积不能太大的情况下，要获得大量电能成为一个难题。市场上也有一些带跟踪太阳位置的太阳能光伏电板装置。在跟踪原理上有利用阴影遮挡光敏电阻跟踪的。这种方法存在阴天无法跟踪太阳位置，晴天在云朵阴影阻挡下出 现无法跟踪的情况，夜晚在烟花等强光下光敏电阻起反应等问题。另外市场上也有在跟踪原理上采用电脑控制的，存在只能通过电缆同时集中控制大量转动装置，适合大型集中发电场。若在每盏路灯上安装电脑成本太大，也不太现实。跟踪太阳位置的机械装置，有利用步进电机控制，也有用液压装置。步进电机装置存在在较大风荷载下无法锁定光伏板位置的问题，液压装置存在成本高的问题。跟踪控制电路存在较为严重的困难。那就是时间精确性的问题。单片机每天误差几秒，日积月累，就会造成很大的时间误差，就不能在正确的时间对准太阳的位置。跟踪控制电路的自身耗能也很成问题，节约电能对太阳能路灯来说是至关重要的。长时间阴雨天气，存在电池电能耗尽，造成控制电路电压波动大，存在死机、跳电、不能重启等问题。太阳能路灯的蓄电池在有限的情况下(过多的蓄电池会大大增加成本)，如何利用电能是一个很大的问题。一般的太阳能路灯只能维持4天的阴天供电量。所以很多现在应用的太阳能路灯，都同时设置市电补充电路，这就会造成太阳能路灯成本剧增，大约成本上升3倍以上，平均每盏灯的报价在2万元以上。有鉴于此，针对上述问题，提出一种设计合理且能改善上述缺失的能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，成本低、效果好，利用太阳能光伏发电板单轴跟踪太阳位置。时间准、无累积误差的高精确度控制太阳位置跟踪，全自动低耗能控制。通过人体红外线自动感应装置感受到行人、车辆而触发单片机控制本盏及相邻LED路灯开关的全自动低耗能控制。为了达成上述目的，本发明提供了一种能跟踪太阳位置的LED路灯，包括通过灯头杆安装在路灯杆上的LED路灯灯头，所述路灯杆上端设置有为LED路灯灯头提供电源的太阳能光伏发电板及灯杆基础地面下的蓄能用胶体电池；所述太阳能光伏发电板设置有能使自身实时进行追踪太阳位置的单轴跟踪太阳位置的转动装置；所述跟踪太阳位置的LED路灯还包括有用来连接和控制LED路灯灯头及单轴跟踪太阳位置的转动装置的太阳能路灯控制器。所述单轴跟踪太阳位置的转动装置包括推杆、连接并用来使该转动装置进行旋转的直线电机、转动角钢架；所述太阳能光伏发电板通过连接螺栓安装在转动角钢架上；所述转动角钢架套在中部的转动角钢架中轴杆上，可以绕转动角钢架中轴杆转动。所述转动角钢架中轴杆居中对称穿入并用加筋肋焊接在路灯杆上端的连接杆上，并使转动角钢架中轴杆的轴线的法线方向与地平面的角度大于当地冬至日正午太阳高度角5° ;所述推杆一端通过推杆固定装置设置在推杆中心杆上，另一端则通过推杆与转动角钢架连接装置铰接在转动角钢架连接角钢上；所述推杆中心杆则穿入并焊接在路灯杆上端的连接杆上，并使其平行于转动角钢架中轴杆；所述转动角钢架、转动角钢架中轴杆、推杆、推杆中心杆相互之间形成在一个平面上的转动副。所述推杆中心杆弯折出相对于中轴杆中心线偏心40mm,推杆固定装置使推 杆轴线与推杆转动轴中心线偏心100mm。所述转动角钢架由转动角钢和转动角钢架连接角钢组成，两根转动角钢通过螺栓居中固定在一块太阳能光伏发电板的铝合金外框长边的内侧，在转动角钢的对称中心位置处设一孔，孔的大小正好略大于转动角钢架中轴杆的外径，并在孔的位置设置焊有外套管，外套管的内径同孔的直径，在外套管外侧加设加固角钢并与转动角钢焊接；两块太阳能光伏发电板通过转动角钢一上一下套在转动角钢架中轴杆上转动。所述转动角钢架的转动角钢的两端开设槽，槽中安装转动角钢架连接角钢；通过螺栓将转动角钢架连接角钢、太阳能光伏发电板铝合金外框、转动角钢三者一起固定。所述转动角钢架在转动方向上的其中一端侧设置有永磁吸盘。所述太阳能路灯控制器为一单片机的控制器，均与该控制器相连接的有无线发送模块、无线接收模块、授时芯片、传感器；所述控制器还通过电机控制模块连接至使单轴跟踪太阳位置的转动装置进行旋转的直线电机。所述控制器和直线电机均连接太阳能光伏发电板的蓄能用胶体电池。所述控制器还连接有红外人体感应模块。相较于现有技术，本发明是一款应用于城市次干道、小区道路、厂区道路、乡村道路用的太阳能LED路灯。它能够在长达20天以上阴雨天气条件下提供正常照明功能。它应用了带单轴跟踪太阳位置的光伏发电板装置、天文太阳位置自动计算与控制系统、根据光线亮度自动开关的灯光控制系统、多谱勒微波及人体红外接近技术控制灯光亮度的节能系统、灯杆间灯光开启信息的无线交互控制系统。本发明改变传统固定式光伏发电板为能跟踪太阳位置的单轴旋转式光伏发电板机械装置。跟踪装置不但是要简单、成本低，更重要是要达到耐久、稳定、安全。本发明能提供高精度太阳位置控制及时间准、无累积误差的控制。本发明是利用人体红外感应装置触发单片机进行相邻路灯之间的无线开关控制。本发明利用两组12V的100AH蓄能胶体电池及两块80W太阳能光伏发电板和一盏24V的50W的LED路灯(相当于普通白炽灯路灯500W)，完成在长达20天以上持继阴雨天而能正常全昼夜提供照明的任务。本发明方法能使路灯会在人车流量大的时段保持全亮度，在人车流量小的时段进入低亮度等候状态，在有人车靠近时，提供本盏及相邻或后继行进方向上的路灯提供全亮度照明，在人车离开后延时降低亮度，并使人车经过时，不会感觉到灯光不足的问题。
图I为本发明一种能跟踪太阳位置的LED路灯的结构示意图；图2、图3、图4分别为本发明一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯三个不同旋转位置的状态图；图5为转动角钢架与光伏电板的主视图；图6为图5的A-A剖视图；
图7为转动架与光伏电板连接背面示意图；图8为阳光入射角度及光电板转动停驻点示意图；图9为单片机控制系统图；图10为灯光感应开关控制流程图。图中1、转动角钢架中轴杆；2、推杆中心杆；3、推杆固定装置；4、推杆；5、太阳能光伏发电板；6、转动角钢架；7、推杆与转动角钢架连接装置；8、推杆头移动及停泊点轨迹；
9、永磁吸盘；10、连接杆；11、灯头杆；12、LED路灯灯头；13、加筋肋；14、路灯杆；15、外套管；16、加固角钢；17、连接螺栓；18、槽；19、转动角钢架连接角钢；20、铝合金外框。
具体实施例方式有关本发明的详细说明及技术内容，配合
如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。根据图1-10所示，一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，包括通过灯头杆11安装在路灯杆14上的LED路灯灯头12，所述路灯杆上端设置有为LED路灯灯头提供电源的太阳能光伏发电板5及灯杆基础地面下的蓄能用胶体电池；所述太阳能光伏发电板5设置有能使自身实时进行追踪太阳位置的单轴跟踪太阳位置的转动装置；所述跟踪太阳位置的LED路灯还包括有用来连接和控制LED路灯灯头及单轴跟踪太阳位置的转动装置的路灯控制器。所述单轴跟踪太阳位置的转动装置包括推杆4、连接并用来使该转动装置进行旋转的直线电机、转动角钢架6 ;所述太阳能光伏发电板5通过连接螺栓17安装在转动角钢架6上,所述转动角钢架套在转动角钢架中轴杆I上转动，所述转动角钢中轴杆中心对称穿入并用加筋肋焊接在路灯杆上端的连接杆10上，所述推杆4 一端通过推杆固定装置3设置在推杆中心杆2上，另一端则通过推杆与转动角钢架连接装置7铰接在转动角钢架6上，所述推杆中心杆2则穿入并焊接在路灯杆上端的连接杆10上；所述转动角钢架、转动角钢架中轴杆、推杆、推杆中心杆相互之间形成在一个平面上的转动副。所述推杆中心杆弯折出相对于中轴杆中心线偏心40mm,推杆固定装置使推杆轴线与推杆转动轴中心线偏心100mm。所述转动角钢架转动角钢中心对称位置设一内径比转动角钢架中轴杆外径略大的孔，在孔外设置有内径与孔直径相同的外套管15，并在外套管的外侧加设加固角钢16 ;所述转动角钢两端开设槽18，槽中安装转动角钢架连接角钢19，通过螺栓将转动角钢架连接角钢、太阳能光伏发电板铝合金外框、转动角钢三者一起固定。所述太阳能光伏发电板边缘设置有铝合金外框20 ;所述转动角钢架在转动方向上的其中一端侧设置有永磁吸盘9。
转动角钢架中轴杆I采用管壁较厚的I寸镀锌钢管，主要考虑具有较好的防锈能力及较好的耐磨性。转动角钢架中轴杆斜向设置在路灯杆顶部的连接杆10上，并使转动角钢架中轴杆的轴线的法线方向与地平面的角度大于当地冬至日正午太阳高度角5°。连接杆10上打孔，使转动角钢架中轴杆插入，对称分布。用钢板加筋肋13将转动角钢架中轴杆与连接杆10焊接。转动角钢架中轴杆在穿入孔处最好不要焊接，是考虑焊接可能造成转动角钢架中轴杆受到破坏，所以只是通过加筋肋把转动角钢架中轴杆与连接杆焊接。太阳能光伏发电板5是固定在转动角钢架6上的。转动角钢架6采用45等边角钢制作。在转动角钢架一边的中心位置设置一孔，孔的尺寸比中轴杆I略大，在孔的位置焊上一段比中轴杆I略大的镀锌钢外套管15，套管孔与角钢上的孔尺寸相同，并且相互对准。套管与转动角钢架焊牢。为了进一步加强套管，在套管外侧加焊一段60加固角钢16进行加强。加焊一段钢套管是减少转动架对中轴杆的摩擦损伤。保证在使用年限内不因磨损而断裂。为了防止磨擦面因锈蚀而损坏，在转动孔内注入润滑油脂，孔口两侧设上密封不锈钢板。转动角钢架上的孔的位置正好在中心对称平衡位置上。
一块太阳能光伏发电板5用两根转动角钢架6固定，然后套在转动角钢架中轴杆I上转动，固定方式，为了防止螺栓及螺母掉落，在螺栓端头点焊。中轴杆两侧各套一块80W太阳能光伏发电板5。这样中轴杆承受整个转动架及太阳能光伏发电板的重量。因为孔的位置正好在对称平衡位置上，所以推杆4可以用很小的力，轻松转动太阳能光伏发电板。两块太阳能光伏发电板用两根40转动角钢架连接角钢19连接固定。在4根转动角钢架的两端部都开转动角钢架上开槽18，将转动角钢架连接角钢嵌入，用螺栓连接。在转动角钢架中轴杆下方设推杆轴心杆2。在连接杆10上打孔，将推杆中心杆插入并焊接加固，角度同转动角钢架中轴杆I。推杆轴心杆是用6分镀锌管折成，轴心偏出中轴杆40mm。在推杆轴心杆第三段上套入I寸镀锌管，再套上推杆固定装置3，再套上I寸镀锌管一段，封住，螺栓固定。推杆固定装置3在推杆中心杆上自由转动。装上推杆4，在转动架连接角钢上与推杆头接触位置设上推杆与转动角钢架连接装置7，将推杆头与转动架连接角钢连接。这样推杆伸缩，就能推动光伏电板转动。推杆在单片机的控制下进行伸缩。当推杆缩完全部行程，自动断电，如图2状态所示。推杆伸长，光伏电板如图3状态的任意位置。当推杆伸完全部行程，自动断电，光伏电板转动架正好不碰路灯杆。如图4状态所示。转动角钢架中轴杆中心位置、推杆中心杆位置、推杆头连接装置之所以这样设计，能使三者构成三角形位置。当Z 712在锐角时或不大的钝角时，转动装置处于一动不动稳定状态。只有当Z 712成钝角很大时，转动装置在风荷载作用下会有略微转动，考虑这种振动转动可能造成推杆受力过大，造成推杆损坏。在推杆伸长完全部行程时，光伏电板转动架角钢上装有一永磁吸盘9，自动与连接杆10吸住，从而使转动装置稳定处于图4状态时，在风荷载作用下保持不动。考虑转动装置在图4状态时，在罕遇狂风中仍处于不安全，故单片机会在每日的19:30分，自动收回到图I状态。因为图I状态是转动装置最稳定的状态，能承受罕遇狂风的作用而保持纹丝不动。所述路灯控制器为一单片机的控制器，均与该控制器相连接的有无线发送模块、无线接收模块、授时芯片、传感器；所述控制器还通过电机控制模块连接至使单轴跟踪太阳位置的转动装置进行旋转的直线电机。所述控制器和直线电机均连接太阳能光伏发电板的蓄能用胶体电池。本发明使用推杆推动转动机构每次转动角度为5度，整个行程从12. 5°转到152. 5°，推杆正好从伸长量为Omm，伸至全长。推杆在伸完行程后，自动断电，或在缩完全程后自动断电。推杆的每一次伸缩量是不一样的。通过单片机控制电动推杆不同时长的电压，使每一次推杆运转，转动架正好转5°角度。每天当天文阳光直射点在15°时，转动机构开始第一次转动至17. 5°，当阳光直射点在20°时，进行第二次转动至22. 5°，依此类推，直至伸完全程。每次推杆的启动时间是不同的，因为每天阳光直射到同一度数的时间点是不同的。本发明在通过天文计算程序，确定当地每日阳光直射到相应角度的时间点，将数据设计在单片机的控制程序内，激发单片机启动推杆运行。通过此设计，可以使跟踪装置与阳光直射点的误差在2. 5度以内。给推杆一个稳定的电压环境。在大量的实验中，发现电动推杆在不同的电压下，在同一驱动时长下伸长量是不一样。为此本发明设计了一套低耗能的稳压线路，保证在蓄电池较大的电压波动范围下，供应推杆的电压维持在一个稳定的电压位置，从而保证了推杆的伸缩量正确。要精确跟踪太阳位置，就要求单片机自己的时间要准确。但是在实际应用中，市场上的大多数单片机的时间不准，每天都会有几秒的误差。日积月累会造成严重的累积误差。 而这一困难正是时控型跟踪装置的弱点。本发明采用了国内时间精度较准的SD2400授时芯片，单片机读取授时芯片的数据，从而来解决这一问题。本发明采用年误差在2. 5分钟内的授时芯片，该授时芯片自带温度补偿调整，再加上本发明在单片机程序中设置月时间调整值和年时间调值。每个月，由于温度不同，调整值是不一样的。通过大量实验在不同的温度下的偏差值，计算出每个月份所需的补偿值。通过这些措施，基本可以将时间误差控制年误差在15秒以内。单片机每年对于年误差再进行一次修正。路灯的设计年限为25年，基本可将误差控制在30秒以内。本发明采用了 PIC18F45K20芯片，编制了相关的应用程序。应用程序主要包括电机控制模块、授时芯片数据读取与调整、通过天文计算后得到的每天的每个转动停泊点所相应的推杆电机起动时间以及每一次转动时长、当电压过低或电量用尽造成死机，掉电能重新启动的看门狗软件。所述控制器还连接有红外人体感应模块。为了在连续阴雨天情况下，路灯拥有足够的电能进行照明，本发明采用采用红外和微波双重技术，配以微处理器的路灯控制感应装置，在人车流量不大的时段，允许灯路部份LED关闭并通过感应开启形式来节约电能。本发明采用20m半径感应范围的感应装置，路灯杆间距大约在25 30m。路灯设置7路LED灯。其中I路LED灯常开，6路LED灯受单片机控制。傍晚临近，太阳能控制器自动开启路灯，在行人多的时段，单片机控制所有LED灯开启，一般为21:00前时段(具体可根据该路段的实际情况调整)。当21:00后，单片机只让I路LED灯开启(相当于白炽灯60W亮度)。当人或车进入感应范围，感应装置对单片机发出信息，单片机打开本盏路灯的全部LED (相当于白炽灯500W亮度)，同时单片机控制无线发射装置，将信息传递至下一盏或相邻盏路灯接收装置，接收装置将信息传至下一盏路灯的单片机，打开全部LED灯。只要人车在本盏灯感应范围内，本盏灯将一直保持全亮。当人车离开本盏感应范围，单片机将延时关闭本盏6路受控LED。在不同路段，节约能源量是不同的。基本上是能将灯的照明时间延长3-5倍。加上在20天长的时间中，虽然是阴雨天，但总有部份时间是多云天气，日光虽不太强，但光伏电板时时刻刻在发电补充电力。按照原来蓄电池供应4天的照明时间，则可以将照明时间提闻到16 20天。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。
权利要求
1.一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，包括通过灯头杆安装在路灯杆上的LED路灯灯头，所述路灯杆上端设置有为LED路灯灯头提供电源的太阳能光伏发电板及灯杆基础地面下的蓄能用胶体电池；其特征在于所述太阳能光伏发电板设置有能使自身实时进行追踪太阳位置的单轴跟踪太阳位置的转动装置；所述跟踪太阳位置的LED太阳能路灯还包括有用来连接和控制LED路灯灯头及单轴跟踪太阳位置的转动装置的路灯控制器。
2.根据权利要求I所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述单轴跟踪太阳位置的转动装置包括推杆、连接并用来使该转动装置进行旋转的直线电机、转动角钢架；所述太阳能光伏发电板通过连接螺栓安装在转动角钢架上；所述转动角钢架套在中部的转动角钢架中轴杆上，可以绕转动角钢架中轴杆转动；所述转动角钢架中轴杆居中对称穿入并用加筋肋焊接在路灯杆上端的连接杆上，并使转动角钢架中轴杆的轴线的法线方向与地平面的角度大于当地冬至日正午太阳高度角5° ;所述推杆一端通过推杆固定装置设置在推杆中心杆上，另一端则通过推杆与转动角钢架连接装置铰接在转动角钢架连接角钢上；所述推杆中心杆则穿入并焊接在路灯杆上端的连接杆上，并使其平行于转动角钢架中轴杆；所述转动角钢架、转动角钢架中轴杆、推杆、推杆中心杆相互之间形成在一个平面上的转动副。
3.根据权利要求2所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述推杆中心杆弯折出相对于中轴杆中心线偏心40mm,推杆固定装置使推杆轴线与推杆转动轴中心线偏心100mm。
4.根据权利要求2所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述转动角钢架由转动角钢和转动角钢架连接角钢组成，两根转动角钢通过螺栓居中固定在一块太阳能光伏发电板的铝合金外框长边的内侧，在转动角钢的对称中心位置处设一孔，孔的大小正好略大于转动角钢架中轴杆的外径，并在孔的位置设置焊有外套管，外套管的内径同孔的直径，在外套管外侧加设加固角钢并与转动角钢焊接；两块太阳能光伏发电板通过转动角钢一上一下套在转动角钢架中轴杆上转动。
5.根据权利要求2所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述转动角钢架的转动角钢的两端开设槽，槽中安装转动角钢架连接角钢；通过螺栓将转动角钢架连接角钢、太阳能光伏发电板铝合金外框、转动角钢三者一起固定。
6.根据权利要求2所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述转动角钢架在转动方向上的其中一端侧设置有永磁吸盘。
7.根据权利要求I所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述路灯控制器为一单片机的控制器，均与该控制器相连接的有无线发送模块、无线接收模块、授时芯片、传感器；所述控制器还通过电机控制模块连接至使单轴跟踪太阳位置的转动装置进行旋转的直线电机。
8.根据权利要求7所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述控制器和直线电机均连接太阳能光伏发电板的蓄能用胶体电池。
9.根据权利要求7所述的一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，其特征在于所述控制器还连接有红外人体感应模块。
全文摘要
本发明公开了一种能跟踪太阳位置的LED太阳能路灯，包括通过灯头杆安装在路灯杆上的LED路灯灯头，所述路灯杆上端设置有为LED路灯灯头提供电源的太阳能光伏发电板及灯杆基础地面下的蓄能用胶体电池；所述太阳能光伏发电板设置有能使自身实时进行追踪太阳位置的单轴跟踪太阳位置的转动装置；所述LED太阳能路灯还包括有用来连接和控制LED路灯灯头及单轴跟踪太阳位置的转动装置的路灯控制器；所述路灯控制器设有单片机和授时芯片来控制直线电机推杆，读取天文太阳位置数据和推杆运行数据，时间准、无累积误差控制太阳位置跟踪；所述LED太阳能路灯有通过人体红外线自动感应装置感受到行人、车辆而触发单片机控制本盏及相邻LED路灯开关的全自动低耗能控制。
文档编号G05D3/00GK102748696SQ20121019517
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者戴忠, 郑强胜 申请人:戴忠